采煤塌陷區礦山地質環境治理模式

喬 岡，徐友寧，何 芳，陳華清

(1.西安地質礦產研究所，陜西 西安 710054；2.長安大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤炭作為一種重要的礦產資源，在我國能源結構中占有重要地位[1]，然而，煤炭資源在開發過程中產生的環境負效應卻不容忽視[2]，礦業開發誘發的地面塌陷、地裂縫等地質災害、含水層破壞、土地壓占破壞、地形地貌景觀破壞以及水土環境污染等礦山地質環境問題層出不窮，屢見不鮮，曾多次造成人員傷亡，帶來巨大經濟損失，嚴重威脅著礦區居民的生命財產安全。采煤塌陷地質災害如何形成，具有什么特征，危害有多大以及治理的關鍵技術等問題備受國內外研究學者關注[3-8]。近年來，武強[9]、張進德[10]和徐友寧等[11]針對我國采煤沉陷、地面塌陷及地裂縫等礦山地質環境問題，研究了分布特征及誘發因素，提出了預防措施、治理對策等。但是，礦山地質環境治理模式研究，仍是薄弱環節。本文通過收集全國典型礦山地質環境治理成果資料，分析了不同煤礦山采煤塌陷地質災害表現形式以及相應治理思路，結合采煤塌陷的形成條件，發育特征，總結出采煤塌陷兩種不同的治理模式，這對于指導采煤塌陷區礦山地質環境治理工作具有重要意義。

1 表現形式

采煤塌陷受地形地貌條件、地層巖性結構、煤層特征以及開采方式影響，地面塌陷特征各有差異，通常表現形式有：塌陷坑及塌陷槽、塌陷盆地、波狀地貌及地裂縫等。

2 治理思路

針對不同煤礦山采煤塌陷地質災害表現形式，結合采煤塌陷的形成條件，發育特征，歸納了5類具有代表性的采煤塌陷區礦山地質環境治理思路，分析了每一種思路的治理對象(也即采煤塌陷不同的表現形式)，治理目標以及使用條件和范圍等。

2.1 植樹造林

1)治理對象及治理目標。對于大型塌陷盆地，則宜采用植樹造林的方法，大力發展林業。

2)適用條件與范圍。對于地表沒有積水的大型塌陷盆地，考慮到采用塌陷坑回填治理的方法，工程量巨大，不宜采用，為了充分利用閑置的土地，考慮采用植樹造林的方法來達到防風固沙，綠化城市的目的，生態用水可以采用先進的滴灌技術。這種治理方法適合干旱地區大型采煤沉陷盆地的治理。

2.2 打造農業生態園區

1)治理對象及治理目標。采取回填塌陷坑及塌陷槽、波狀地貌及地裂縫的方法，以恢復耕地為主，打造農業生態園區。

2)適用條件與范圍。適用于地表形成較淺的塌陷坑，塌陷坑回填工程量較小，可以將采煤沉陷區改造成農業生態園區，大力發展農業。

2.3 建設礦山地質公園

1)治理對象及治理目標。對臨城靠廠的塌陷區，則結合城鎮的建設規劃，建設礦山地質公園。

2)適用條件與范圍。適用于開采塌陷區鄰近城市，且塌陷區面積較小，在地表的表現形式多樣化的塌陷區，為了體現礦山地質公園的建設和城市建設相協調的原則，保留一些具有代表意義的塌陷景觀，可以把采煤沉陷區打造成礦山地質公園，大力開發旅游資源。

2.4 新建魚塘，發展養殖業

1)治理對象及治理目標。對大面積長期積水的塌陷盆地，以新建魚塘為主，形成魚鴨混養、禽蛋加工等綜合開發利用格局。

2)適用條件與范圍。這種治理方法適用于大面積長期積水的塌陷盆地，在積水區域內，根據地表塌陷量大小分布情況，在積水較深的區域建設深水養殖塘，淺水區主要用于種植水產經濟作物；淺水域周邊地區治理為蔬菜基地[12]。這種治理方法適用于氣候比較濕潤、降雨量大的地區。

2.5 結合歷史，開發旅游資源

1)治理對象及治理目標。結合歷史文化名城和旅游生態城市建設，營造濕地旅游景觀。

2)適用條件與范圍。適用于開采塌陷區地表形成大面積較深積水區域，且周邊有歷史文化名城，可以將塌陷區的治理和歷史文化名城、旅游生態城市建設結合起來，以生態恢復治理為主，將塌陷區改造成湖泊、濕地等景觀，大力發展旅游業。

綜上所述，依據不同的地形地貌、氣象水文、地層巖性以及采煤塌陷區的特征，結合地理人文特色資源，概括的講，當前國內外對采煤塌陷區治理思路主要體現在以下五個方面：①發展林業資源；②打造農業生態園區；③建設礦山地質公園；④興建魚塘，發展養殖業；⑤以生態恢復治理為主，大力開發旅游資源。

3 治理模式研究

對于具體的采煤塌陷區，就經濟、環境以及社會效益而言，應采用什么治理方法最為合理，成為眾所關注的事情。

通過對上述治理方法的分析，依據采煤塌陷形成的背景條件，總結出以下兩種采煤沉陷的治理模式(表1)。

3.1 采煤塌陷區形成積水的治理模式

這種治理模式的前提條件是地表塌陷特征是地面彎曲變形，裂隙不發育；地表是黏性土等細顆粒地層巖性，其滲透性能差；地區降雨量豐富，可以及時補充積水區域水量損失。

地表存在積水的塌陷區，其地表特征是塌陷所形成的地面彎曲帶，由于沒有裂縫，且地表以黏性土為主，滲透性能差，因此，降水可以在沉陷區彎曲帶聚集起來形成積水區域，積水區域形狀不同，可以形成不同厚度的水層；在治理的同時，針對不同水層厚度，結合人文地理特征，可以將塌陷區改造成具有不同功能的閑置土地重利用區，例如：魚塘、水庫、湖泊、濕地等，大力發展養殖業、開發旅游資源，對帶動當地的經濟發展具有重要意義。

表1 采煤塌陷區礦山地質環境治理模式

3.2 采煤塌陷區沒有積水的治理模式

這種治理模式適用于地表沒有形成積水的采煤沉陷區，多用于氣候干旱，降雨稀少，蒸發強烈，土質疏松，滲透性能好，采煤沉陷區不易形成大面積、長時間積水區域，生態環境脆弱，因此，依據塌陷坑的規模大小，結合治理的工程量，將采煤塌陷區回填，恢復為耕地；將大型的沉陷盆地植樹造林，改造成為綠洲帶，大力發展林業資源。例如：植樹造林、打造農業生態園區、建設礦山地質公園等。

多數情況受不同因素的制約，不同條件的組合，即使在同一地區，其采煤塌陷區的治理模式也并非單一，通常情況，因地制宜，對不同的采煤塌陷區，可以采用以上兩種模式綜合進行整治。

4 寧夏石嘴山采煤沉陷區治理案例分析

寧夏石嘴山市惠農區采煤塌陷區礦山地質環境綜合治理方法包括植樹造林、打造農業生態園區、建設礦山地質公園等，治理效果顯著，是一個礦山地質環境綜合治理較為典型的案例，其治理理念值得類似地區借鑒。

4.1 基本情況

惠農采煤沉陷區位于石嘴山惠農城市建成區的中心，其突出的地質環境問題已經嚴重影響到人居環境、工農業生產及城市發展規劃，制約石嘴山市在資源枯竭城市轉型進程中的城市及環境建設。

1)沉陷區內“滿目瘡痍、蕭條衰敗”的地形地貌景觀，惡劣的生態環境，無異于城市中心的一處黑洞。

2)惠農采煤塌陷區內的工業及民用建筑遭到變形破壞，其影響范圍之大，破壞程度之深，其周邊居民的正常生產生活難以繼續。

3)沉陷區內地裂縫、高陡邊坡、土壤侵蝕等次生地質災害現象發育，地下水位不斷下降，土地及水資源均遭受不同程度破壞。

4.2 治理目標

依據規劃，惠農采煤沉陷區礦山地質環境治理項目的實施，最終將形成“一帶二區三湖四點”為特色的“城市生態公園”。在此目標的指引下，治理項目的實施預計可以實現以下三個目標。

1)恢復塌陷區大面積土地資源的重新利用，徹底改變塌陷區蕭瑟荒蕪的地形地貌景觀。

2)消除地裂縫、地面塌陷、土壤侵蝕等地質災害帶來的不利影響，全面遏制塌陷區日漸嚴重的水土流失。

3)實現塌陷區的植被覆蓋，恢復自然生態，改善塌陷區的生態環境。

4.3 治理任務

結合石嘴山市采煤沉陷區的實際情況，采取的具體治理思路體現在以下幾個方面。

1)對塌陷裂縫發育區進行地貌重塑，進行裂縫整治及塌陷坑填埋，將塌陷區改造為坡度適宜(2°～15°)的緩坡地形，為土壤的重構與土地復墾奠定基礎。

2)對于基巖塌陷區及上覆松散層塌陷區的土壤進行工程覆土及施肥改良，以恢復其種植功能。

3)在積水塌陷區及周邊修筑擋土墻，以防止帶來新的煤矸石污染。

4)在塌陷區內規劃綠化管網滴灌工程，以保證項目實施后林木生產條件。

5)采取多林種結合的綠化工程設計，喬灌結合，構建多林種相結合的綜合防護體系和結構合理、良性循環的生態系統。

4.4 技術路線

治理項目可行性研究工作之前，首先對之前惠農采煤區已經治理、待治理情況進行調研，在現場踏勘、群眾調研的基礎上，針對性的收集引發惠農采煤沉陷區的礦井開采資料，綜合當地氣象資料、工程地質水文資料，全面了解惠農采煤沉陷區的地質環境現狀與問題。在對國內外有關采煤塌陷區治理的理論經驗基礎上，結合石嘴山市土地利用規劃、惠農區采煤沉陷區治理規劃，提出切實可行的治理方案。

4.5 治理對象

治理對象為惠農采煤沉陷區，呈北東向展布，塌陷深度2～15m，面積4.09km2。具體位置：煤炭路以北，原礦區鐵路以西，寧夏眾元煤焦化有限責任公司以東，南至礦區居民地。其中重點治理對象有沉陷坑、地表裂縫、大面積的基巖出露、沉陷區東南側與原礦區鐵路形成的邊坡、常年沉陷積水坑、煤矸石垃圾堆。

4.6 治理措施

針對以上治理對象，按照工程部署原則，結合本地區同類工程的治理經驗，依據前述技術路線，全區統一安排治理措施。本項目的治理措施主要可以歸類分為五個部分：土地整理工程(含土壤重塑)、防護工程、道路工程、滴灌工程及綠化工程。

4.6.1 土地整理工程

1)對部分沉陷坑煤矸石填埋；地裂縫采取人工與機械相結合的工藝填補；

2)對于基巖裸露塌陷區采取高挖低填的工藝；

3)上覆第四系覆蓋物的塌陷區的整理應充分利用現有地形地貌，合理分區分塊，盡量減少區內土方的遠距離運輸搬運；

4)整理后的地形坡度在2°～15°。

4.6.2 防護工程

治理區內主要三部分需要設置防護工程：治理區南側與原礦區鐵路形成的邊坡，坡面裸露，部分地段堆積建筑垃圾；常年積水沉陷區；多年堆積形成的煤矸石及工業垃圾堆。

1)邊坡治理措施：坡面清理+覆土夯實+六棱磚護坡+坡腳擋墻。

2)積水沉陷區治理措施：該沉陷區積水深度、面積較大，且周邊亂石垃圾很多，擬保留該處積水區作為景觀，為安全起見，設計在積水區周邊修筑低矮擋墻，擋墻頂面采用混凝土抹面。

3)煤矸石垃圾堆處理：清除表面垃圾及松散矸石，按照松散層垂直厚度1m處理后，沿矸石堆的東南側坡腳外延2m處，修筑高1.5m擋土墻，防止矸石堆積造成周邊環境污染。

4.6.3 道路工程

治理規劃將治理區整理為若干個田塊，各田塊分片進行綠化，為方便各田塊聯絡及保護綠化成果，設計修筑兩級道路與原有道路協調統一。

4.6.4 綠化工程

治理區氣候干旱，平均日照時間長，土壤質量一般，不同程度的存在水土流失現象，因此在平整后的土地規劃使用三種綠化模式：喬木混交、喬灌混交及喬灌草混交共同完成治理區的綠化。

4.6.5 滴灌工程

植物的喬木種類有國槐、刺槐、油松和白蠟；灌木種類以檸條和紫穗槐為主；草本種類以草木樨和沙打旺為主，結合本次治理的特點：灌溉面積大、水源為黃河水、作物種類多樣化等特點，擬采取滴灌技術應用于本次水利灌溉工程。

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